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  連續(xù)可控的自由變形能力是使軟體機器人實現(xiàn)多功能的重要前提。目前，軟體機器人實現(xiàn)變形的主要手段為調(diào)控薄殼結(jié)構(gòu)的曲率。然而，以往的薄殼類軟體機器人還存在無法自由重構(gòu)曲面或難以承受較大荷載等不足。

  近日，加州理工學院Chiara Daraio教授課題組提出了一種可以進行可控三維曲面自由變化的軟體機器人，并且展示了其操控荷載的能力。該成果以Robotic surfaces with reversible, spatiotemporal control for shape morphing and object manipulation為論文題目發(fā)表在Science Robotics （DOI: 10.1126/scirobotics.abf5116）上。

圖1. 自由曲面軟體機器人的設計。

  該設計由兩層主動網(wǎng)格和一層被動網(wǎng)格構(gòu)成夾心三明治結(jié)構(gòu)，輔以蓋板鱗片來構(gòu)成連續(xù)的表面。主動網(wǎng)格由嵌入了加熱電阻絲的液晶彈性體材料（LCE）構(gòu)成，可在通電加熱時收縮，起到肌肉般的作用；主動網(wǎng)格的收縮會造成由聚酰亞胺薄膜（Kapton）構(gòu)成的中間層被動網(wǎng)格的屈曲變形，形成波紋狀的支撐結(jié)構(gòu)，起到骨架般的作用。根據(jù)電流大小的不同，上下兩層主動網(wǎng)格在不同方向的局部收縮變形可以進行實時獨立調(diào)節(jié)。由于對于殼體而言，其曲率取決于上下表面的局部應變，因此這種新型軟體機器人可以通過調(diào)節(jié)輸入到上下兩層主動網(wǎng)格的電流自由變換曲率，形成各類曲面形狀。

圖2. 各單一構(gòu)件的材料力學性質(zhì)。

（A-E）LCE材料在電熱驅(qū)動下的熱-力學性質(zhì)；（F-G）Kapton被動層的平面外屈曲變形。

圖3. 一維復合三明治結(jié)構(gòu)的曲率與上下LCE主動層收縮變形的關(guān)系。

  這種曲面軟體機器人利用液晶彈性體材料（LCE）的可重復變形性，實現(xiàn)了曲面幾何的實時可控重構(gòu)。同時，通過引入向平面外屈曲的被動層，增加了結(jié)構(gòu)的有效剛度，解決了以往薄殼類驅(qū)動裝置或軟體機器人難以承受較大荷載的缺點。該項研究體現(xiàn)了軟體機器人從有限變形模式向自由變形的發(fā)展方向。未來，通過使用更先進的智能材料、更致密的網(wǎng)格和更復雜的控制電路，該設計有望用于遠程人機協(xié)作、三維顯示及主動式可穿戴設備等應用場景。

圖4. 自由變形、操控物件及承重的展示。

（曲面軟體機器人自重為33g）

  論文第一作者為加州理工學院博士后研究員劉珂博士，通訊作者為Chiara Daraio教授。

  鏈接：https://robotics.sciencemag.org/content/6/53/eabf5116 

  下載：Robotic surfaces with reversible, spatiotemporal control for shape morphing and object manipulation